物医学工程导必
第一章概述 什么叫生物医学工程 生物医学工程(Biomedical Engineering,. BME)是运用自然科学和工程技术的原理和 方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体 的生命现象，并从工程角度解決防病治病问 题的一门综合性高技术学科
第一章 概述 ◼ 什么叫生物医学工程 生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是运用自然科学和工程技术的原理和 方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体 的生命现象，并从工程角度解决防病治病问 题的一门综合性高技术学科
我国著名科学家顾方舟先生在“中国生 物医学工程的今天与明天”一书中这样写到 生物医学工程学是这样一门学科：它把人 体各个层次上的生命过程（包括病理过程 看作是一个系统的状态变化的过程；把工程 学的理论和方法与生物学、医学的理论和方 法有机地结合起来去研究这类系统状态变化 的规律，并在此基础上，应用各种工程技术 手段，建立适宜的方法和装置， 以最有效的 途径，人为地控制这种变化，以达预定的目 标。生物医学工程学的根本任务在于保障 人 类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复 服务
我国著名科学家顾方舟先生在“中国生 物医学工程的今天与明天”一书中这样写到 “生物医学工程学是这样一门学科：它把人 体各个层次上的生命过程（包括病理过程） 看作是一个系统的状态变化的过程；把工程 学的理论和方法与生物学、医学的理论和方 法有机地结合起来去研究这类系统状态变化 的规律，并在此基础上，应用各种工程技术 手段，建立适宜的方法和装置，以最有效的 途径，人为地控制这种变化，以达预定的目 标。生物医学工程学的根本任务在于保障人 类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复 服务
生物医学工程是理、工、医相结合 的新兴边缘学科，是多种工程学科向生 物学、医学渗透并相互作用的结果。虽 然它作为一门独立的学科发展的历史尚 不太长(50年)，但由于它在保障人类 健康方面所起的巨大作用，它已经成为 当前医疗保健性产业的重要基础和支柱， 许多国家都将其列为高技术领域
生物医学工程是理、工、医相结合 的新兴边缘学科，是多种工程学科向生 物学、医学渗透并相互作用的结果。虽 然它作为一门独立的学科发展的历史尚 不太长（50年），但由于它在保障人类 健康方面所起的巨大作用，它已经成为 当前医疗保健性产业的重要基础和支柱， 许多国家都将其列为高技术领域
以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目 为例，为了进行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们 需要作如下工作： 1.了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄清人体 心脏瓣膜的运动学和力学特性（定量）； 2.解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、毒性 力学性质和制备工艺等) 3.了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和 疲劳寿命，以及植入心脏后的长期生物效应等 人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要 涉及一系列工程问题，此外还有成本控制问题 风湿性心脏病
以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目 为例，为了进行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们 需要作如下工作： 1.了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄清人体 心脏瓣膜的运动学和力学特性（定量）； 2. 解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、毒性、 力学性质和制备工艺等）； 3.了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和 疲劳寿命，以及植入心脏后的长期生物效应等 。 人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要 涉及一系列工程问题，此外还有成本控制问题。 风湿性心脏病
生物医学工程的特点： ■大跨度的、多学科的综合性应用学科。以人工器官为例， 它需要生物材料学、生物力学、生理学及有关机电、化工 工程技术的有机结合，甚至涉及社会伦理学。这种大跨度 (从非生命科学到生命科学，乃至从自然科学到人文科学 的综合，是传统学科所没有的，其发展需要工程技术与医 学两方面人材的密切结合。 既为医学、生物学提供技术与装备，又为医学、生物学的 发展开辟新路：因此它是变革医学和生物学本身的一支重 要力量。 ■社会效益与经济效益的结合。医学注重社会效益，工程学 注重经济效益，生物医学工程才是二者必然的结合
◼生物医学工程的特点： ◼大跨度的、多学科的综合性应用学科。以人工器官为例， 它需要生物材料学、生物力学、生理学及有关机电、化工 工程技术的有机结合，甚至涉及社会伦理学。这种大跨度 （从非生命科学到生命科学，乃至从自然科学到人文科学） 的综合，是传统学科所没有的，其发展需要工程技术与医 学两方面人材的密切结合。 ◼既为医学、生物学提供技术与装备，又为医学、生物学的 发展开辟新路：因此它是变革医学和生物学本身的一支重 要力量。 ◼社会效益与经济效益的结合。医学注重社会效益，工程学 注重经济效益，生物医学工程才是二者必然的结合
1.1生物医学工程学的发展状况 生物医学工程是从20世纪50年代以来，随着电子学、材 料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的进步 并广泛应用于医学和生物学领域而逐渐形成和发展的。电子 学的渗入使心电、脑电、心音、B超等实用诊断技术逐步地 出现和应用于临床；人体植入性心脏起搏器研制成功挽救了 成千上万心脏病患者的生命；与材料科学的结合，成功地研 制出如医用硅橡胶、医用聚氨酯和有机玻璃制作的人工股骨 等人体功能辅助及卫生保健材料和制品；工程力学原理和方 法的运用，使人们能够定量地研究血液在心血管中流动特性， 建立了本构方程来刻画血液的流动行为：以医用材料为基础 的多学科相结合，开始早期的人工器官如人工肾、人工肺、 人工晶体、人工心瓣膜的研制和临床应用
1.1 生物医学工程学的发展状况 生物医学工程是从20世纪50年代以来，随着电子学、材 料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的进步 并广泛应用于医学和生物学领域而逐渐形成和发展的。电子 学的渗入使心电、脑电、心音、B超等实用诊断技术逐步地 出现和应用于临床；人体植入性心脏起搏器研制成功挽救了 成千上万心脏病患者的生命；与材料科学的结合，成功地研 制出如医用硅橡胶、医用聚氨酯和有机玻璃制作的人工股骨 等人体功能辅助及卫生保健材料和制品；工程力学原理和方 法的运用，使人们能够定量地研究血液在心血管中流动特性， 建立了本构方程来刻画血液的流动行为；以医用材料为基础 的多学科相结合，开始早期的人工器官如人工肾、人工肺、 人工晶体、人工心瓣膜的研制和临床应用
本构规律：指生物体、组织器官的力学 性质，特别是其应力与应变的规律，称为本 构规律 本构方程：如果能将本构规律以数学方 程的形式表达出来，这一方程即称为本构方 程
本构规律：指生物体、组织器官的力学 性质，特别是其应力与应变的规律，称为本 构规律。 本构方程：如果能将本构规律以数学方 程的形式表达出来，这一方程即称为本构方 程
进入60年代以后，微电子学、信息科学 计算机科学、控制论、工程力学及材料科学等 的迅速发展并紧密地与医学结合，导致大量的 医疗仪器设备如区线机、超声仪、心电图、脑 电图及球式机械人工心脏瓣膜等广泛地应用于 临床。这些对医学进步，对临床诊疗水平的提 高起到了极大的推动作用，产生了巨大的社会 效益；另外，医疗器械产业已形成规模，产生 了巨大的经济效益。由此，生物医学工程学这 一新兴的边缘学科作为一门独立的学科成立， 成为时代的需要
进入60年代以后，微电子学、信息科学、 计算机科学、控制论、工程力学及材料科学等 的迅速发展并紧密地与医学结合，导致大量的 医疗仪器设备如X线机、超声仪、心电图、脑 电图及球式机械人工心脏瓣膜等广泛地应用于 临床。这些对医学进步，对临床诊疗水平的提 高起到了极大的推动作用，产生了巨大的社会 效益；另外，医疗器械产业已形成规模，产生 了巨大的经济效益。由此，生物医学工程学这 一新兴的边缘学科作为一门独立的学科成立， 成为时代的需要
美国、日本和西方一些国家成立了医学 电子学和生物医学工程学组织。世界性的国 际生物医学工程联合会于1965年正式成立。 七十年代以后，生物医学工程涉及到生 物医学的各个方面，并取得长足的发展。理 论研究方面，利用生物系统建模与仿真技术 对极为复杂的生命现象和生理过程的机制进 行定量描述，如胰岛素释放控制模型和传染 病流行模型等；生物力学对骨、软组织和血 液的流变特性作了系统的研究，对心血管中 血液流动建立了更接近生理的本构方程
美国、日本和西方一些国家成立了医学 电子学和生物医学工程学组织。世界性的国 际生物医学工程联合会于1965年正式成立。 七十年代以后，生物医学工程涉及到生 物医学的各个方面，并取得长足的发展。理 论研究方面，利用生物系统建模与仿真技术 对极为复杂的生命现象和生理过程的机制进 行定量描述，如胰岛素释放控制模型和传染 病流行模型等；生物力学对骨、软组织和血 液的流变特性作了系统的研究，对心血管中 血液流动建立了更接近生理的本构方程；